毛烏素沙地三種植被下苔蘚結(jié)皮的土壤理化效應(yīng)

周小泉, 劉政鴻, 楊永勝, 苑森朋

(1.新疆吉音水利樞紐工程建設(shè)管理局, 新疆 和田 848000; 2.陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心, 西安 710006;3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100)

毛烏素沙地三種植被下苔蘚結(jié)皮的土壤理化效應(yīng)

周小泉1, 劉政鴻2, 楊永勝3, 苑森朋4

(1.新疆吉音水利樞紐工程建設(shè)管理局, 新疆 和田 848000; 2.陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心, 西安 710006;3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100)

分析了沙蒿、沙柳、樟子松三種植被下有苔蘚結(jié)皮、無苔蘚結(jié)皮(對照)樣地0—2,2—5,5—10 cm剖面土壤的理化指標,探討毛烏素沙地苔蘚結(jié)皮對土壤理化性狀的影響及其與植被類型的關(guān)系。結(jié)果表明:(1) 三種植被下苔蘚結(jié)皮均能夠明顯提高土壤穩(wěn)定性,增加細砂粒(0.02～0.2 mm)含量、降低粗砂粒(0.2～2 mm)含量。(2) 沙柳及沙蒿植被下苔蘚結(jié)皮均能夠顯著提高各層土壤的有機質(zhì)、全氮、速效鉀、全磷含量(P>0.05),降低全鉀、速效磷含量;樟子松下苔蘚結(jié)皮0—2 cm剖面的理化效應(yīng)同沙柳、沙蒿類似,但2—5,5—10 cm剖面內(nèi),有機質(zhì)含量顯著降低(P>0.05),全氮、全鉀、全磷、速效磷含量則無顯著變化(P<0.05)。(3) 荒漠生態(tài)恢復(fù)過程中,苔蘚結(jié)皮對土壤理化性狀的改善作用主要集中在表層土壤,改善程度同植被類型的關(guān)系密切。

苔蘚結(jié)皮; 沙蒿; 沙柳; 樟子松; 土壤粒徑分布; 土壤養(yǎng)分

生物土壤結(jié)皮(以下簡稱“生物結(jié)皮”)是由隱花植物和土壤微生物與表層土壤顆粒膠結(jié)形成的復(fù)合體[1]。在荒漠化地區(qū)，生物結(jié)皮是流動沙丘固定的重要標志，預(yù)示荒漠化生境的轉(zhuǎn)變[2]。生物結(jié)皮不僅能夠顯著增加土壤的穩(wěn)定性[3]，而且對荒漠地區(qū)土壤發(fā)育和植被恢復(fù)有極大的促進作用,對荒漠系統(tǒng)的能量流動、物質(zhì)流動和養(yǎng)分循環(huán)均產(chǎn)生重要影響和貢獻[1]。近年來，荒漠地區(qū)生物結(jié)皮的研究受到廣泛關(guān)注[4]。

研究表明，生物結(jié)皮對表層土壤養(yǎng)分具有明顯的富集作用[5]，但對深層土壤的影響并不顯著[6]。有關(guān)生物結(jié)皮與植被的關(guān)系探討，主要集中在生物結(jié)皮對種子萌發(fā)[7]、種苗成活率[8]以及植被對生物結(jié)皮的影響上[9]，很少考慮生物結(jié)皮與植被對土壤理化性質(zhì)的交互影響。同時，生物結(jié)皮的土壤理化效應(yīng)研究報道多來自于科爾沁沙地[9]、騰格里沙漠[10]、黃土高原[11]、古爾班通古特沙漠[12]等地區(qū)，缺乏對年降雨量400 mm左右的毛烏素沙地生物結(jié)皮的研究。鑒于此，本文選擇毛烏素沙地苔蘚結(jié)皮發(fā)育良好的沙蒿(Artemisiaordosica)、沙柳(SalixcheilophilaSchneid)、樟子松(PinussylvestrisLinn.var.mongolica Litv.)三種典型植被樣地，測算分析苔蘚結(jié)皮對不同剖面深度土壤的理化效應(yīng)，探討植被類型對其理化效應(yīng)的影響。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北毛烏素沙地東南緣的神木縣圪丑溝(北緯38°10′—39°05′,東經(jīng)109°40′—110°30′)。該區(qū)屬干旱半干旱的大陸性氣候，冬季嚴寒，夏季酷熱。多年平均降水量為440.8 mm,平均蒸發(fā)量為2 092 mm。平均氣溫7.8℃，最高月(7月)平均氣溫23.9℃。最低月(1月)平均氣溫—9.8℃。區(qū)內(nèi)風沙天氣頻繁，春、秋兩季西北風盛行，平均風速2.4 m/s，最大風速19 m/s。區(qū)內(nèi)地下水位淺，海子、濕地星羅棋布，夏、秋兩季積水較多。該區(qū)土壤水分條件較好，苔蘚結(jié)皮發(fā)育廣泛，部分楊樹林地的迎風坡上發(fā)育有藻類結(jié)皮。沙蒿、沙柳是分布最廣的優(yōu)勢灌木[13]，樟子松人工林分布較多。

研究區(qū)苔蘚結(jié)皮的蘚種主要包括：黃色真蘚(Bryumpallescens)、彎形真蘚(B.recurvulum)、銀葉真蘚(B.argenteum)、雙色真蘚(BryumdichotomumHedw)，以及少量的扭口蘚(Barbulaunguiculata)。

1.2 試驗設(shè)計

基于野外調(diào)查，于2010年10月在丘間地選擇典型樣地(基本情況見表1)。分別選取蒿沙、沙柳、樟子松下有苔蘚結(jié)皮、無苔蘚結(jié)皮(對照)樣地，樣地大小為：10 m×10 m。每個樣地原位測定土壤表面硬度、抗剪強度。利用平鏟小心獲取結(jié)皮層,用電子游標卡尺測定苔蘚結(jié)皮厚度。同時，每個樣地內(nèi)均勻設(shè)置3個采樣點，分別在0—2 cm，2—5 cm，5—10 cm三個剖面由下往上分層采樣，其中，植被下有苔蘚結(jié)皮樣地0—2 cm土樣取自其下伏土壤。土樣過0.25 mm孔徑篩、供速效養(yǎng)分測定，過0.01 mm孔徑篩、供全量養(yǎng)分測定。

表1 試驗地塊基本情況

1.3 測定指標和方法

(1) 土壤物理性質(zhì)測定土壤機械組成：土壤過1 mm篩后，利用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測定。苔蘚結(jié)皮厚度：游標卡尺；硬度：土壤硬度計，型號TYU-1；抗剪強度：IC0202A袖珍型剪力測量儀。土壤機械組成做一個重復(fù)，其余指標至少3個重復(fù)。

(2) 土壤化學性質(zhì)測定土壤全氮：開氏法；土壤有機質(zhì)：重鉻酸鉀容量法；土壤全磷：NaOH熔融；土壤速效磷：0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法；全鉀：NaOH熔融，火焰光度法；速效鉀：1 mol/L NaHCO3浸提，火焰光度法。每個指標均為3個重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)使用Excel 2007進行處理，利用統(tǒng)計分析軟件Spss 12.0進行單因素方差分析(ANOVA)比較不同處理間各個指標的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1三種植被下苔蘚結(jié)皮對0-2cm剖面土壤理化性質(zhì)的影響

表2顯示了三種植被下苔蘚結(jié)皮對土壤抗剪強度、硬度及粒徑分布的影響。顯然，三種植被下苔蘚結(jié)皮均能夠顯著提高表層土壤硬度及抗剪強度，增加粘粉粒、細砂粒含量。其中，粘粉粒含量提高的順序依次為：237.5%(樟子松)>78.7%(沙柳)>25.0%(沙蒿)。這說明苔蘚結(jié)皮能夠明顯提高土壤穩(wěn)定性且能夠細化表層土壤顆粒。

表3顯示，三種植被下苔蘚結(jié)皮對表層土壤養(yǎng)分均產(chǎn)生了顯著影響。三種植被下苔蘚結(jié)皮樣地的有機質(zhì)、全氮、速效鉀、全磷含量均顯著增加(P>0.05)，全鉀、速效磷含量則有不同程度降低。同時，苔蘚結(jié)皮的養(yǎng)分效應(yīng)受植被類型的顯著影響，例如有機質(zhì)含量增加幅度依次為：335.9%(沙柳)>190.2%(樟子松)>118.3%(沙蒿)；全鉀含量降低幅度依次為17.6%(沙柳)>16.6%(沙蒿)>1.2%(樟子松)。

表2 三種植被下0-2 cm剖面土壤的物理性狀(平均值±標準誤差)

注：字母相同代表組間差異不顯著(P>0.05),字母不同代表組間差異顯著(P<0.05)，下同。

表3 三種植被下0-2 cm剖面土壤養(yǎng)分狀況

2.2三種植被下苔蘚結(jié)皮對2-5cm剖面土壤理化性質(zhì)的影響

表4表明，三種植被下苔蘚結(jié)皮均能夠降低2—5 cm剖面土壤粗砂粒含量，而對土壤細砂粒含量則有較大程度的提高。

例如沙柳、沙蒿、樟子松下苔蘚結(jié)皮使2—5 cm剖面土壤細砂粒含量分別增加704.4%，110.7%，18.0%。

表4 三種植被下2-5 cm剖面土壤粒徑分布特征 %

由表5可知，苔蘚結(jié)皮的養(yǎng)分效應(yīng)受植被類型的顯著影響。表現(xiàn)在沙柳及沙蒿下苔蘚結(jié)皮樣地2—5 cm剖面土壤有機質(zhì)、全氮、速效鉀、全磷含量均顯著增加(P>0.05)，全鉀及速效磷含量則有不同程度的降低。

而樟子松下的苔蘚結(jié)皮則顯著降低了2—5 cm剖面土壤的有機質(zhì)含量(P>0.05)，對全氮、全鉀、速效鉀、全磷、速效磷并無顯著影響(P<0.05)。

表5 三種植被下2-5 cm剖面土壤養(yǎng)分特征

2.3三種植被下苔蘚結(jié)皮對5-10cm剖面土壤理化性質(zhì)的影響

由表6可知，無論有無苔蘚結(jié)皮，三種植被下5—10 cm剖面土壤顆粒主要為粗砂粒。但三種植被下苔蘚結(jié)皮仍然起到降低粗砂粒含量、增加細砂粒含量的作用。其中，沙柳、沙蒿、樟子松下苔蘚結(jié)皮使該層細砂粒分別增加159.8%，40.2%，20.8%，粗砂粒分別降低11.4%，6.1%，2.8%。

表6 三種植被下5-10 cm剖面土壤粒徑分布特征 %

三種植被下苔蘚結(jié)皮對5—10 cm剖面土壤養(yǎng)分的影響因植被類型而異(表7)。沙柳和沙蒿植被下，苔蘚結(jié)皮使5—10 cm剖面土壤有機質(zhì)、全氮、速效鉀含量均顯著增加(P>0.05)，全鉀及速效磷含量顯著降低(P>0.05)；樟子松植被下，苔蘚結(jié)皮能夠顯著降低5—10 cm剖面土壤有機質(zhì)含量(P>0.05)，顯著提高該層速效鉀含量，而對全氮、全鉀、全磷、速效磷無顯著影響(P<0.05)。苔蘚結(jié)皮對三種植被下全磷含量均無顯著影響，這與趙允格等人的研究結(jié)果相一致[14]。

表7 三種植被下5-10 cm剖面土壤養(yǎng)分特征

3 結(jié)論及討論

土壤粒徑分布對土壤孔隙度、容重等土壤物理性質(zhì)有直接影響[11]。本研究中，苔蘚結(jié)皮能夠增加淺層土壤粘粉粒、細砂粒含量，這與前人的結(jié)論一致[15]?？諝庵械恼撤哿１恢脖恢θ~攔截并降落到地面，當有降雨發(fā)生時，雨水能夠攜帶粘粉粒從土壤表層向下運動。沙區(qū)苔蘚結(jié)皮的出現(xiàn)減少了表層土壤孔隙，且生物結(jié)皮蓄水[16]、保水能力較強[17]。相比之下，攜帶有粘粉粒的雨水更容易通過植被下無結(jié)皮土壤并向下運動，導(dǎo)致無結(jié)皮樣地2—5 cm剖面土壤粘粉粒含量高于有結(jié)皮樣地。但該區(qū)次降雨量較小，深層土壤孔隙逐漸變小，粘粉粒隨雨水的運移深度有限，因此在5—10 cm剖面并未出現(xiàn)該現(xiàn)象。

苔蘚結(jié)皮對土壤細化程度與植被類型有密切關(guān)系。樟子松下苔蘚結(jié)皮提高0—2 cm剖面粘粉粒含量的能力最強(237.5%)，苔蘚結(jié)皮對沙柳下0—2 cm剖面土壤細砂粒含量的提高最明顯(196.6%)。原因是：沙柳屬于密叢型灌木、枝條密集，降風滯塵的作用很強，對細砂粒有很強的攔截作用。而樟子松枝葉稠密、植株高度較高，對粘粉粒的攔截也強于沙柳。沙蒿雖然枝葉較密集，但卻植株低矮，對土壤顆粒的攔截作用較弱。

生物結(jié)皮能夠改變淺層土壤養(yǎng)分狀況[14]，但結(jié)論卻不盡相同。張元明等發(fā)現(xiàn)，生物結(jié)皮能夠富集全N、全P、速效P等養(yǎng)分,且這種作用由上至下依次遞減[5,12]；賈寶全等認為生物結(jié)皮能夠起到降低灌叢沙包表層全N、全P、速效N、速效P含量，增加速效K含量的作用[18]。分析三種植被下苔蘚結(jié)皮對不同深度土壤養(yǎng)分的影響程度，三種植被下苔蘚結(jié)皮能夠增加0—2 cm剖面土壤有機質(zhì)、全氮、速效鉀、全磷含量。原因包括：一是生物結(jié)皮中各組分的腐爛分解，能夠增加土壤養(yǎng)分含量；二是苔蘚結(jié)皮能夠提高土壤抗侵蝕能力，減少土壤養(yǎng)分的流失[19]。本研究結(jié)果顯示三種植被下苔蘚結(jié)皮均會降低0—2 cm剖面全鉀含量，這是因為在微生物的作用下，酸性物質(zhì)有利于鉀素的快速釋放[20]。生物結(jié)皮緩慢提高[20]以及降低[18]速效磷含量的研究均有報道，本研究結(jié)果與后者一致。盡管研究區(qū)土壤養(yǎng)分受生物結(jié)皮與植被的交互作用，但二者作用的深度有限[9]，因此苔蘚結(jié)皮對土壤養(yǎng)分的影響隨深度增加而減小。

此外，生物結(jié)皮形成前埋入沙土中的植被枯落物對土壤養(yǎng)分的改善持續(xù)發(fā)揮作用[21]。但不同植被枯落物量、分解速率、分解后的元素均有差異。并且，植被冠幅、枝葉密度等形態(tài)特征也會影響其對降雨的攔截程度，進而影響雨水對土壤養(yǎng)分的淋溶作用。上述原因，共同造成三種植被下苔蘚結(jié)皮對不同深度土壤養(yǎng)分的影響差異。

致謝：感謝陜西省神木縣生態(tài)學會治沙造林基地對本研究工作提供的一切便利條件。

[1] 李新榮,張元明,趙允格.生物土壤結(jié)皮研究:進展,前沿與展望[J].地球科學進展,2009,24(1):11-24.

[2] 崔燕,呂貽忠,李保國.鄂爾多斯沙地土壤生物結(jié)皮的理化性質(zhì)[J].土壤,2004,36(2):197-202.

[3] 李聰會,朱首軍,陳云明,等.黃土丘陵區(qū)生物結(jié)皮對土壤抗蝕性的影響[J].水土保持研究,2013,3(20):6-10.

[4] Bu C F, Wu S F, Xie Y S, et al. The study of biological soil crusts: hotspots and prospects[J]. CLEAN-Soil Air Water, 2013,41(9):899-906.

[5] 郭軼瑞,趙哈林,趙學勇,等.科爾沁沙地結(jié)皮發(fā)育對土壤理化性質(zhì)影響的研究[J].水土保持學報,2007,21(1):135-139.

[6] 劉利霞,張宇清,吳斌.生物結(jié)皮對荒漠地區(qū)土壤及植物的影響研究述評[J].中國水土保持科學,2007,5(6):106-112.

[7] 蘇延桂,李新榮,陳應(yīng)武,等.生物土壤結(jié)皮對荒漠土壤種子庫和種子萌發(fā)的影響[J].生態(tài)學報,2007,27(3):938-946.

[8] 閆德仁,薛英英,韓鳳杰,等.沙漠生物土壤結(jié)皮國外研究概況[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技,2007,33(1):39-42.

[9] 趙哈林,郭軼瑞,周瑞蓮,等.植被覆蓋對科爾沁沙地土壤生物結(jié)皮及其下層土壤理化特性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學報,2009,20(7):1657-1663.

[10] 陳荷生.沙坡頭地區(qū)生物結(jié)皮的水文物理特點及其環(huán)境意義[J].干旱區(qū)研究,1992,9(1):31-38.

[11] 肖波,趙允格,邵明安.陜北水蝕風蝕交錯區(qū)兩種生物結(jié)皮對土壤理化性質(zhì)的影響[J].生態(tài)學報,2007,27(11):4462-4470.

[12] 張元明,楊維康,王雪芹,等.生物結(jié)皮影響下的土壤有機質(zhì)分異特征[J].生態(tài)學報,2005,25(12):3420-3425.

[13] 姚月鋒,滿秀玲.毛烏素沙地不同林齡沙柳表層土壤水分空間異質(zhì)性[J].水土保持學報,2007,21(1):111-115.

[14] 趙允格,許明祥,王全九,等.黃土丘陵區(qū)退耕地生物結(jié)皮理化性狀初報[J].應(yīng)用生態(tài)學報,2006,17(8):1429-1434.

[15] Hancock G R, Willgoose G R. An experimental and computer simulation study of erosion on a mine tailings dam wall[J]. Earth Surface Processes and Landforms,2004,29(4):457-475.

[16] Duan Z, Xiao H, Li X, et al. Evolution of soil properties on stabilized sands in the Tengger Desert, China[J]. Geomorphology,2004,59(1):237-246.

[17] Malam Issa O, Défarge C, Trichet J, et al. Microbiotic soil crusts in the Sahel of Western Niger and their influence on soil porosity and water dynamics[J]. Catena,2009,77(1):48-55.

[18] 賈寶全,張紅旗,張志強,等.甘肅省民勤沙區(qū)土壤結(jié)皮理化性質(zhì)研究[J].生態(tài)學報,2003,23(7):1442-1448.

[19] Kleiner E F, Harper K T. Soil properties in relation to cryptogamic groundcover in Canyonlands National Park[J]. Journal of Range Management Archives,1977,30(3):202-205.

[20] 齊雁冰,常慶瑞,惠泱河.高寒地區(qū)人工植被恢復(fù)過程中沙表生物結(jié)皮特性研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2006,24(6):98-102.

[21] 劉新民,趙哈林,趙愛芬.科爾沁沙地風沙環(huán)境與植被[M].北京：科學出版社,1996.

EffectsofMossDominatedCrustsonSoilPhysicochemicalPropertiesUnderThreeTypesofVegetationinMuUsSandland

ZHOU Xiao-quan1, LIU Zheng-hong2, YANG Yong-sheng3, YUAN Sen-peng4

(1.JiyinAdministrationofHydro-junctionandEngineeringConstruction,Hetian,Xinjiang848000,China; 2.ShaanxiMonitoringCenterofSoilandWaterConservationandEcologicalEnvironment,Xi′an710006,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 4.CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

The soil physicochemical properties in the sites where were covered and uncovered (control) by moss crusts underArtemisiaordosica,SalixcheilophilaSchneidandPinussylvestrisLinn. var. mongolica Litv. at 0—2, 2—5, 5—10 cm depths were analyzed respectively. The effects of moss crusts on the soil physicochemical properties and its relationship between the type of vegetation were discussed. The results are as follows: (1) the moss crusts under three types of vegetation are able to significantly increase the soil stabilization，increase the proportion of fine sand (0.02～0.2 mm) and decrease the proportion (0.02～0.2 mm) of coarse sand; (2) the moss crusts underArtemisiaordosicaandSalixcheilophilaSchneid. can significantly increase the contents of soil organic matter, total N, available K and total P. Meanwhile, it′s able to decrease the contents of total K and available P in 0—2, 2—5, 5—10 cm depths, respectively. The effects of moss crusts underPinussylvestrisLinn. var. mongolica Litv. at 0—2 cm depths were similar with those ofArtemisiaordosicaandSalixcheilophilaSchneid. The difference is the moss crusts underPinussylvestrisLinn. var. mongolica Litv. can significantly decrease the content of soil organic matter and have no significant effects on the contents of total N, total K, total P and available P at 2—5 cm and 5—10 cm depths; (3) in the process of ecology restoration in desert, the improvement of moss crusts on soil hysicochemical properties mainly focuses on the shallow layer and the improvement degree has close relations with the type of vegetation.

moss dominated crusts;Artemisiaordosica;SalixcheilophilaSchneid;PinussylvestrisLinn. var. mongolica Litv.; soil size distribution; soil nutrient

2014-03-12

：2014-03-27

國家自然科學基金面上項目“毛烏素沙地生物結(jié)皮的風蝕和水分效應(yīng)及其干擾響應(yīng)”(41071192)

周小泉(1973—),男,浙江寧波人,大學本科，工程師,主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。E-mail:2727548892@qq.com

楊永勝(1987—),男,甘肅蘭州人,博士研究生,主要從事苔蘚生物結(jié)皮的培育工作。E-mail:yyssolider@126.com

S153

：A

：1005-3409(2014)06-0340-05